第七章乐高机器人机电一体化创新设计(修改)ppt课件

1、第九章乐高机器人机电一体化创新设计1.一、创新设计与实验的目的1、培育学生用发明性思想方法，设计、搭建新型的机构或安装；2、引导学生运用乐高机器人套件，设计、制造智能机器人，提高学生的察看分析、动手、发明才干，培育学生的参与、竞争、实际与协作认识；3、加强学生对机电一体化的实际认识，培育学生的创新认识及综合设计才干，并经过设计乐高机器人实现计算机和机器人控制的快速入门。2.二、原 理 乐高“课堂机器人是一种优秀的科技教育产品，这一独创性的教育工具是由美国麻省理工学院(MIT)、美国TUFTS大学、乐高公司和美国国家仪器公司(NI)共同开发研讨的，它将模型搭建和计算机编程有效地结合在一同，使学生

2、可以设计本人的机器人，在计算机上编写程序，然后经过与计算机相连的红外发射器将程序下载到机器人的大脑RCX微型电脑中，启动RCX的开关，机器人就可以完全脱离计算机，按下载程序的指令独立运动起来。例如经过运用光电传感器，学生可以让机器人沿着一定的道路前进、或绕某一物体转动、或是藏在暗处等。 3.二、原 理 乐高机器人由机械构造件、控制器、电机、传感器等多个模块组成，采用搭积木方式搭建，硬件就是积木，软件采用图形化编程言语，不涉及单片机汇编言语与机器码编程。这就使系统实际教学，摆脱了单片机言语、电路构造、微机接口等分支学科的束缚，可以直接根据系统要求，组态并展现系统功能。让学生自动表达设计思想，了解

3、系统设计原理，更好地关注于创新机构设计以及机电一体化系统集成。4.三、仪器与设备 乐高积木有两千多个各种外形的积木组件，有足够的零件让他完成他的想象，更重要的是，这些积木组件都按同一规范严厉设计、消费，一切积木都是可兼容的。它根据的规范就是乐高单位，而且积木有严厉的质量坚持，乐高积木模具公差仅为0. 005mm。可以巧妙地利用乐高积木的特点梁、块、板和孔之间的关系完善他的构造，完成他独一无二的设计。 5.1. 支承元件6.2. 传动元件7.2. 传动元件8.3. 动力元件乐高马达内置多级减速传动链 9.属 性 高速马达 低速马达 微马达 最大电压 9VDC 9VDC 9VDC 最小电流（无负载

4、） 100mA 10mA 5mA 最大电流（stall） 450mA 250mA 90mA 最大速度（无负载） 4000rpm 300rpm 30rpm 在一般负载下的速度 2500rpm 200rpm 25rpm 10.马达衔接RCX的AC输出端口。可经过软件编程对马达进展如下控制：1.正向旋转，停顿；2.反向旋转，停顿；3.改动旋转方向；4.加速或减速。11.4. 传感器触动传感器 光电传感器 角度传感器 目前，乐高机器人提供四种规范传感器：光电、温度、角度及触动传感器。12.触动传感器：触动开关 需衔接到RCX输入端或乐高8路输入和输出接口中黄色输入通道()。 类型和供电要求:无源数字传

5、感器 典型运用和阐明:实例1：当机器人碰到妨碍物时，控制机器人后退、转弯。实例2：在电梯模型中，可以作为楼层的触动按钮。13.温度传感器 需衔接到RCX输入端或乐高8路输入和输出接口板上的黄色输入通道。丈量范围：-20C+50C 类型和供电要求:无源模拟传感器 典型运用和阐明:实例1：观测一杯热水散热时温度的变化。实例2：当温度到达一定值时，控制马达转动。14.光电传感器 传感器测试范围0.6Lux(0%) 760Lux(100%)。利用该传感器，他可以： -经过检测光强变化计数 -经过测试反向光强来区分颜色 -丈量一个光源的光强 类型和供电要求:有源模拟传感器 典型运用和阐明:实例1：沿黑线

6、机器人；实例2：在交通模型中，控制路灯在晚上自动翻开；实例3：丈量房间光线的分布，调查房间照明能否合理。在竞速赛时，拍摄数字图片。 15.角度/位置传感器 可衔接到RCX输入端或乐高8路输入和输出接口板上的蓝色输入通道。利用这个传感器，他可以： -测试旋转方向 -发送一个运动，丈量旋转位置 留意：不要将马达直接联接到位置传感器，否那么会大大缩短传感器运用寿命。 类型和供电要求:有源数字传感器 典型运用和阐明:实例1：丈量车子走过的间隔；实例2：获取机械手臂的位置；实例3：获取电梯到达的位置。16.DCP 在实践运用中，需求采集不同的物理量以实现不同的目的，4种传感器能够不够。为此，乐高与DCP

7、公司协作开发了LEGO DCP适配器，可将DCP公司的工业传感器与RCX衔接起来，让机器人采集高精度的电压、温度、湿度、pH值、声音、旋转/位移、压力等信号，让您的机器人更好地呼应外部环境。除了DCP传感器，假设感兴趣，他还可以根据需求，开发本人的传感器，与RCX衔接，让他的机器人更好地觉得外部世界。 17.其它传感器1电压传感器：丈量范围：电压25V，内阻抗：410k 2温度传感器：可以丈量-30C 130C温度3湿度传感器：可以丈量0100%的相对湿度温度范围-20度到80度4旋转/位移传感器：360旋转，可测3405空气压力传感器：0200KPa约0-30psi6声音传感器：丈量范围为：

8、50dB-100dBA加权7pH值传感器适配器：与pH值电极配合运用，25C时每pH值的输出为59.1mV。8REDOX适配器：高阻抗电压适配器，用于衔接其他传感器或设备。电压范围为：+/-1250mV9光度传感器：对光强度具有较高的分辨，丈量范围为025000Lux.10DESIGNER传感器套件：包括数字、模拟传感器，测直流电压，丈量范围为：02.5V11线性加速计传感器：加速范围为-50m/s/s50m/s/s，斜度为-90+9012电流传感器：如下图，4mm插槽及电缆，可以交换插口、探针及夹子，可丈量-1A+1A的直流18.5. RCX微型电脑 RCX微型电脑是乐高机器人不可短少的大脑

9、，是它将普通的模型转换成智能机器人。经过不同的传感器，RCX可以接纳外界环境的变化，进展处置和运算后，输出指令来控制机器人的动作。 RCX是美国麻省理工学院多媒体实验室研讨多年的成果，是一个嵌入式系统，或者说是一个小型电脑。RCX与普通的单片机有很大的区别，其最根本的区别是RCX有本人的类似WINDOWS的操作平台，可以用多种高级编程言语来控制RCX，而单片机只能运用汇编言语。 19.The RCX RCX带有本人的喇叭，可以播放6种不同的腔调。经过红外通讯，RCX可以：接纳电脑上编写的程序。将采集在内存的数据上传到电脑进展分析。和另一个RCX进展通讯，方便制做大型智能系统。 20.灯 衔接R

10、CX的AC输出端口。可经过软件编程对灯进展如下控制：1.开关；2.以用户定义的时间频率闪烁；3.改动发光强度。21.蜂鸣器 衔接RCX的AC输出端口。可经过软件编程对蜂鸣器进展如下控制：1.开关；2.发出两种声音。 利用软件控制，需将蜂鸣器转到正确位置，才干使其呼应实践声音。22.6. IR红外发射仪 将电脑程序下载到RCX，是电脑和RCX不可短少的衔接。有2种类型：USB接口：必需运用ROBOLAB版本2.5以上串口： RS232接口，可以兼容一切ROBOLAB版本。 串口发射仪 USB发射仪23.7. 衔接导线、轴套类零件与其它辅助元件24.8. 编程ROBOLAB软件 为乐高机器人编写程

11、序的ROBOLAB软件是一个低起步，高开展，直观易学的图形化编程环境，是以美国国家仪器公司的LabVIEW为根底开发的。1997年诺贝尔物理奖获得者William D. Phillips博士选用LabVIEW作为编程环境, 控制他发明的全新原子冷却实验。25. LabVIEW采用图形化编程方式，产生的程序是框图的方式，对于运用者来说，编程就像设计流程图一样，在很短的时间内就可以学会。 由于 LabVIEW明显提高了科研和消费效率, 它在航天航空、通讯、汽车、半导体和生物医学等众多领域很快得到广泛运用。 乐高公司经过和美国国家仪器公司，美国TUFTS大学的友好协作，开发了基于LabVIEW的机器

12、人编程软件ROBOLAB，使机器人更容易进入课堂，使我们的学生在很小的年龄就可以开场编写程序，领会计算机的威力。26. ROBOLAB有200多个编程模块,可以完成常见编程言语，如C/C+或VisualBasic等软件的功能。学生在计算机上为机器人编写好程序，程序一旦下载到RCX，机器人就脱离计算机，根据程序指令，按照周围环境的输入信息来行动，完全智能化。当然，假设机器人未按预先设计的行动，即程序编写不够完善时，可以在计算机上修正源程序，再下载，运转机器人进展测试，直到机器人完全按要求任务为止。 27. ROBOLAB软件分为编程者(Programmer)和研讨者(Investigator)两

13、部分, 可以在ROBOLAB开场运用的第一用户界面选择. 编程者主要用于控制机器人, 而研讨者添加了数据采集和分析功能，用于学科实验。 ROBOLAB最突出的优点是提供不同的编程级别, 例如机器人编程者分为 “导航者和 “发明家. “导航者级别提供的编程环境和例子较为简单，适宜初学者；它为初学者提供了固定的编程模块，他可以在这里用鼠标点击图标模块并在下拉图标模块中选取所需图标来完成。发明家级别那么提供全部的控制才干。这两个级别均包含四个等级，从浅到深。 28.四、实验前的预备任务 1.按模型组合包设备清单清点模型零件，并按类型分类置放于装料盘中；2.仔细阅读模型组合包操作手册；3.按组装指点图

14、搭接模型，掌握组合模型的拼接方法；4.熟习动力元器件的装配、衔接方法；包括：电动机、传感器、变压器、气动元件、各种开关等； 5. 熟习组合包配备的软件Robolab及接口。29.五、实验内容与步骤 机器人的制造是一个循序渐进的过程，首先他需求确立目的：他需求一个什么样的机器人？接着需求设计和搭建，然后在电脑上运用ROBOLAB为机器人编写程序，经过红外发射器将程序下载到RCX上。下载胜利后，RCX就可以脱离计算机自动运转。最后是测试他的机器人，能否实现了他的目的？哪些需求改良？回到第一步，改良他的机器人。 在这个过程中，需求学生发扬本人的创作才干，综合利用各种知识，还有充分发扬团队协作精神。

15、30.31.第一步：设计与搭建机器人乐高机器人套件认知、察看，了解其种类、作用等相关信息； 选题，确定设计目的，制定设计方案，进展义务分工；运用乐高机器人套件，组装智能机器人。 32. RCX微型电脑是由MIT开发的，是乐高机器人系统的中心部分。运用ROBOLAB软件及RCX，学生们可以发明、搭建、编程真正的机器人，让它运动、做动作、甚至本人去“想。 为RCX编写程序，经过各种输入传感器与输出马达与灯等对周围环境做出呼应。33.第二步：在PC机上为机器人编写程序 为RCX编写控制程序的ROBOLAB软件是一个简单、直观、易学的编程环境，是以美国国家仪器公司的LabVIEW，流行于丈量和自动化领

16、域的图形化编程软件为根底开发的。ROBOLAB软件具有一切通用编程环境，如C/C+或VisualBasic等软件的功能。在计算机上为机器人编写好程序，程序一旦下载到RCX，机器人就脱离计算机，根据程序指令，按照周围环境的输入信息来做出判别，决议下一步如何行动。完全智能化。34. 美国国家仪器NI公司的LABVIEW软件： 1997年，美国太空总署在监测其飞船着陆、定位、位置、运转情况等时，运用了LabVIEW软件。LabVIEW软件是一功能强大、设计完美的编程环境，深受大学、和各行各业的工程技术人员及科学家喜欢，并被广泛运用。是测控领域倍受欢迎的软件开发工具，运用于生物医学、航空航天、能源研讨

17、等各个领域，用于数据采集与仪器控制、数据分析与处置等。 35.第三步：下载程序到RCX RCX经过IR红外发射仪与计算机通讯。运用ROBOLAB编程软件在计算机上编写好编程，然后，经过与计算机串口机相连的IR发射仪下载到RCX。IR与RCX经过无线红外方式通讯。 36. 下载的固件包括了RCX硬件的细节和底层的编程指令，ROBOLAB软件也将难懂的汇编言语表达为一个个图标。编程时我们只需求选择所需的功能图标，像画流水线一样有逻辑性地将图标连起来，这样就可以完成程序编写，实现复杂的软件设计。37. 下面，我们用单片机的汇编言语来与ROBOLAB做个比较。同样是完成RCX赋值，直接对RCX的微处置器H8编写程序要复杂许多，编写时不但要留意语句顺序，甚至标点符号也不能错。而经过RCX操作系统运用ROBOLAB，他只需求懂得怎样运用几个图标。 图形化言语ROBOLAB功能强大，设